[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungsanordnung mit einem Wechselrichter
zur Erzeugung von einphasigem Wechselstrom und einem Transformator mit einer Primärwicklung
und einer ersten Sekundärwicklung und einer zweiten Sekundärwicklung, wobei die Sekundärwicklungen
gleiche Windungszahlen haben und so angeordnet sind, dass sie im Betrieb des Transformators
vom gleichen magnetischen Fluss durchflutet werden, so dass an den Sekundärwicklungen
im Betrieb des Transformators gleiche Spannungen abgreifbar sind, wobei je ein Anschluss
der ersten Sekundärwicklung und ein Anschluss der zweiten Sekundärwicklung an einem
ersten Punkt miteinander verbunden sind, dass sich zwischen dem ersten Punkt, einem
weiteren Anschluss der ersten Sekundärwicklung und einem weiteren Anschluss der zweiten
Sekundärwicklung ein Zweiphasensystem ergibt, dessen Phasen um 180° zu einander verschoben
sind.
[0002] Aus dem Dokument
EP 2 346 150 A1 ist eine solche Stromversorgungsanordnung bekannt (siehe dort Fig. 1 b). Aus dem
gleichen Dokument ist es bekannt, diese erste Stromversorgungsanordnung zur Versorgung
von Siliciumstäben zur Herstellung von Polysilicium nach dem Siemensverfahren einzusetzen.
Die in dem genannten Dokument
EP 2 346 150 A1, Figur 1b dargestellten Stromversorgungsanordnungen haben je zwei Ausgänge, an denen
um 180° zueinander verschobene, d.h. gegenphasige Spannungen zur Verfügung gestellt
werden. Diese Spannungen treiben mittelfrequente Ströme mit einer Frequenz zwischen
1 und 1000 kHz in die Siliziumstäbe. Die gegenphasigen Spannungen werden durch zwei
Transformatoren hergestellt, die jeweils eine Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen
aufweisen.
[0003] Die Sekundärwicklungen sind an einem ersten Knoten miteinander verbunden. Die ersten
Knoten sind jeweils mit einem Neutralleiteranschluss der Ausgänge der Stromversorgungsanordnungen
verbunden. Weitere Anschlüsse der Sekundärwicklungen sind mit Außenleiteranschluss
in der Ausgänge verbunden.
[0004] Neben der Stromversorgung durch die ersten Stromversorgungsanordnungen können die
Siliziumstäbe , wie es in dem Dokument
EP 2 346 150 A1 beschrieben ist, gleichzeitig zur Versorgung mit den ersten Stromversorgungsanordnungen
von einer zweiten Stromversorgungsanordnung versorgt werden. An dieser zweiten Stromversorgungsanordnung
sind die Siliciumstäbe in Reihe geschaltet angeschlossen. Diese Stromversorgung erfolgt
mit einem Strom mit einer Frequenz von etwa 50 Hz.
[0005] In dem Dokument
EP 2 346 150 A1 ist offenbart, dass die erste Stromversorgungsanordnung und die zweite Stromversorgungsanordnung
durch Kondensatoren voneinander entkoppelt werden. Dazu sind zwischen den Außenleiteranschluss
der Ausgänge und den weiteren Anschlüssen der Sekundärwicklungen der Transformatoren
Kondensatoren eingesetzt. Diese bilden zusammen mit weiteren Bauelementen Hochpässe,
welche verhindern, dass von der zweiten Stromversorgungsanordnung getriebener Strom
in die ersten Stromversorgungsanordnungen hinein fließt und diese beschädigt oder
zerstört. Umgekehrt ist die zweite Stromversorgungsanordnung dadurch von den ersten
Stromversorgungsanordnungen entkoppelt, da die Spannung an einem Ausgang einer ersten
Stromversorgungsanordnung durch die gegenphasige Spannung an dem anderen Ausgang der
gleichen ersten Stromversorgungsanordnung aufgehoben wird.
[0006] In der Praxis können allerdings dann Probleme auftauchen, wenn die Lasten an den
Ausgängen einer ersten Stromversorgungsanordnung nicht gleichgroß sind. Insbesondere
wenn die Induktivität der einen Last größer ist als die Induktivität der anderen Last,
können sich zum Teil recht erhebliche Unterschiede in den Beträgen der an den Ausgängen
der ersten Stromversorgungsanordnungen zur Verfügung gestellten Spannungen ergeben.
Dieses führte dazu, dass diese Summe der Spannungen über den Ausgängen der ersten
Stromversorgungsanordnung nicht mehr 0 V beträgt. Stattdessen werden Beträge von mehreren
100 V erreicht. Die Spannung, die erreicht wird, kann dabei von der Frequenz abhängen,
mit welcher die erste Stromversorgungsanordnung betrieben wird.
[0007] Diese ungleichmäßige Belastung der ersten Stromversorgungsanordnung und die sich
daraus ergebende Spannung über den in Reihe geschalteten Ausgängen der ersten Stromversorgungsanordnung
kann dazu führen, dass die zweite Stromversorgungsanordnung beschädigt oder zerstört
wird.
[0008] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine erste Stromversorgungsanordnung
so fortzubilden, dass Unterschiede zwischen den Beträgen der Spannungen an den Ausgängen
einer eingangs genannten ersten Stromversorgungsanordnung so weit wie möglich vermieden
werden.
[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in Reihe zu der Primärwicklung
des Transformators oder zwischen dem ersten Knoten und dem Neutralleiteranschluss
eines Ausgangs der Stromversorgungsanordnung ein Kondensator angeordnet ist.
[0010] Der den ersten Knoten mit dem Neutralleiteranschluss verbindende Kondensator oder
der in Reihe zu der Primärwicklung liegende Kondensator ist im Betrieb der Stromversorgungsanordnung
unmittelbar oder mittelbar, d.h. unter Zwischenschaltung des Transformators, sowohl
im Stromkreis mit der ersten Sekundärwicklung als auch im Stromkreis der zweiten Sekundärwicklung
der Stromversorgungsanordnung. Dadurch kann der Kondensator für einen Ausgleich des
betragsmäßigen Unterschiedes zwischen den Spannungen an den Ausgängen der Stromversorgungsanordnung
sorgen. Der Kondensator, insbesondere wenn er sekundärseitig angeordnet ist, kann
eine Kapazität von 2 bis 10 µF, insbesondere von 4,5 µF haben.
[0011] Die Gleichwertigkeit der Anordnung des Kondensators in Reihe zur Primärwicklung des
Transformators einerseits und zwischen dem ersten Knoten und dem Neutralleiteranschluss
andererseits wird deutlich, wenn man den Transformator gedanklich durch eine Ersatzschaltung
ersetzt. Dann wird einem Fachmann deutlich, dass auch der primärseitig angeordnete
Kondensator in beiden Lastkreisen wirkt.
[0012] Der weitere Anschluss der ersten Sekundärwicklung ist vorzugsweise mit einem ersten
Außenleiteranschluss und der weitere Anschluss der zweiten Sekundärwicklung mit einem
zweiten Außenleiteranschluss verbunden. Durch die Erfindung wird dafür gesorgt werden,
dass die Spannung zwischen den Außenleiteranschlüssen gegenüber dem Zustand beim Stand
der Technik erheblich reduziert wird.
[0013] Denkbar ist beispielsweise, dass die Außenleiteranschlüsse unmittelbar mit den weiteren
Anschlüssen der Sekundärwicklungen verbunden sind. Dann ist es möglich, dass auch
bei ungleicher Belastung der Ausgänge der Stromversorgungsanordnung, insbesondere
bei ohmsch-induktiver Belastung mit ungleichen induktiven Anteilen der Belastung,
die Spannung zwischen den Außenleiteranschlüssen 0 V oder annähernd 0 V beträgt.
[0014] Denkbar ist aber auch, dass die Außenleiteranschlüsse über Kondensatoren mit den
weiteren Anschlüssen der Sekundärwicklungen verbunden sind. Auch dann kann die Spannung
zwischen den Außenleitern bei ungleicher Belastung der Ausgänge der Stromversorgungsanordnung
reduziert werden. Die Reduzierung ist jedoch dann nicht so deutlich wie im Falle des
Verzichts auf diese Kondensatoren an den Außenleiteranschlüssen.
[0015] Die Aufgabe kann erfindungsgemäß ebenso dadurch gelöst werden, dass die Spannung
über wenigstens eine der Sekundärwicklungen diskret oder kontinuierlich einstellbar
ist. Eine diskrete Einstellbarkeit der Spannung kann dadurch erreicht werden, dass
wenigstens eine der Sekundärwicklungen mehrere Anzapfungen hat. Ist die Spannung über
wenigstens eine der Sekundärwicklungen einstellbar, kann sie so verändert werden,
dass die Spannungen über den an die erfindungsgemäße Stromversorgungsanordnung angeschlossenen
Lasten betragsmäßig gleich ist.
[0016] Eine weitere erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass zwischen den weiteren Anschlüssen
der Sekundärwicklungen und Außenleiteranschlüssen des Ausgangs Kondensatoren vorgesehen
sind, von denen zumindest einer eine einstellbare Kapazität hat. Auch mit einem solchen
einstellbaren Kondensator könnte erreicht werden, dass die Spannungen über den an
die erfindungsgemäße Stromversorgungsanordnung angeschlossenen Lasten betragsmäßig
gleich ist.
[0017] Der Wechselrichter kann eine H-Brücke mit Leistungstransistoren sein.
[0018] Die Stromversorgungseinrichtung kann einen Frequenzumrichter umfassen und der Wechselrichter
kann Teil des Frequenzumrichters sein. Neben dem Wechselrichter kann der Frequenzumrichter
einen Gleichrichter und einen Gleichspannungszwischenkreis umfassen.
[0019] Der Frequenzumrichter kann alternativ auch ein Direktumrichter sein. Der Wechselrichter
im Sinne dieser Anmeldung ist dann integraler Bestandteil des Direktumrichters.
[0020] Die erfindungsgemäße Stromversorgungsanordung kann Teil eines Reaktors zur Herstellung
von Polysilicium nach dem Siemensverfahren sein. Die erfindungsgemäße Stromversorgungsanordnung
kann eine erste Stromversorgungsanordnung zur Versorgung von Siliciumstäben oder -dünnstäben
mit Wechselstrom zur induktiven Erhitzung sein. Die Siliciumstäbe oder -dünnstäbe
können in einem Reaktorbehälter angeordnet werden. In dem Reaktorbehälter sind Halterungen
vorgesehen, mit welchen die Siliziumstäbe oder Siliziumdünnstäbe gehalten werden.
Die Halterungen sind zugleich elektrische Anschlüsse, mit welchen die Siliciumstäbe
oder Siliciumdünnstäbe in den Lastkreis eingebunden werden.
[0021] Der Reaktor kann eine zweite Stromversorgungsanordnung zur Versorgung der Siliciumstäbe
oder -dünnstäbe mit Wechselstrom zur induktiven Erhitzung aufweisen. Diese zweite
Stromversorgungsanordnung kann einen Transformator mit mehreren sekundärseitigen Anzapfungen
und daran angeschlossenen Leistungsstellern aufweisen, die in Spannungsfolgesteuerung
betrieben werden und mit einem Außenleiteranschluss der zweiten Stromversorgungsanordnung
verbunden werden, wie es zum Beispiel auch in dem Dokument
EP 2 346 150 A1 offenbart ist. Eine Frequenz des von der ersten Stromversorgungsanordnung erzeugbaren
Wechselstroms beträgt zwischen 1 bis 1000 kHz und eine Frequenz des von der zweiten
Stromversorgungsanordnung erzeugbaren Wechselstrom beträgt 10 bis 100 Hz.
[0022] Weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen deutlich. Darin
zeigen
- Fig. 1
- ein Schaltbild einer Stromversorgungsanordnung gemäß dem Stand der Technik,
- Fig. 2
- ein Schaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung und
- Fig. 3
- ein Schaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung.
[0023] Die in Fig. 1 dargestellte Stromversorgungsanordnung gemäß dem Stand der Technik
umfasst einen Frequenzumrichter mit einem Gleichrichter 1 , einen Gleichstromzwischenkreis
2 und einem Wechselrichter 3.
[0024] Der Gleichrichter 1 ist an einen Außenleiter L1'und einen Neutralleiter N' eines
Versorgungswerkes angeschlossen. An den Ausgang des Gleichrichters ist ein Kondensator
angeschlossen, der den Gleichspannungszwischenkreis 2 bildet. An den Gleichspannungszwischenkreis
2 ist der Wechselrichter 2 angeschlossen.
[0025] Beim Wechselrichter 3 handelt es sich es sich um eine H-Brücke aus IGBTs 31, wie
sie bei Wechselrichtern vielfach verbreitet ist. Anstellte von IGBTs können auch andere
steuerbaren Schalter verwendet werden. In den Querzweig der H-Brücke ist eine Primärwicklung
41 eines Transformators 4 angeschlossen. Sekundärseitig weist der Transformator 4
zwei Wicklungen 421, 422 auf. Die beiden Sekundärwicklungen sind auf einem Kern angeordnet
und werden von dem gleichen magnetischen Fluss durchflutet. Die Sekundärwicklungen
421, 422 haben die gleiche Wicklungszahl, sind aber gegensinnig gewickelt.
[0026] Je ein Anschluss der einen Sekundärwicklung wie der anderen Sekundärwicklung sind
an einem Punkt K1 zusammengeführt. Von diesem Knoten ist eine elektrische Verbindung
mit einem Neutralleiteranschluss N auf einer Ausgangsseite der Stromversorgungsanordnung
hergestellt.
[0027] Ein weiterer Anschluss jeder der Sekundärwicklungen 421, 422 ist über einen Kondensatoren
C1, C2 mit einem Außenleiteranschluss L1, L2 auf der Ausgangsseite der Stromversorgungsanordnung
verbunden.
[0028] Die Stromversorgungsanordnung stellt an ihren Ausgängen L1, N und L2, N zwei gegenphasige
Spannungen zur Verfügung, die im Leerlauf und bei symmetrischer Belastung der Ausgänge
L1, N, L2, N einen gleichen Betrag haben. Die Spannung zwischen den Außenleiteranschlüssen
L1, L2 beträgt dann 0 V.
[0029] Durch eine unsymmetrische Belastung der Ausgänge kann es sich ergeben, dass die Beträge
an den beiden Ausgängen L1, N, L2, N unterschiedlich groß sind. Die Spannung zwischen
den Außenleiteranschlüssen L1, L2 ist dann nicht 0 V. Die Abweichung kann je nach
Frequenz der Wechselspannungen an den Ausgängen und je nach Art der Belastung in einer
Größenordnung liegen, die für eine Einbindung der Stromversorgungsanlage in eine größere
Anlage problematisch ist. Insbesondere bei unterschiedlicher induktiver Belastung
können im Betrieb der Stromversorgungsanordnung die Wechselspannungen auseinanderlaufen.
Besonders im Fall des Betriebs der Stromversorgungsanordnung zur Bereitstellung von
Wechselspannungen mit Frequenzen, die nahe der Resonanzfrequenzen der Ausgangstromkreise
umfassend die Sekundärspule 421, den Kondensator C1, die Last RL1 , LL1 beziehungsweise
die Sekundärspule 422, den Kondensator C2, die Last RL2, LL2 liegen,kann es zu hohen
Spannungen zwischen den Außenleiteranschlüssen L1 und L2 kommen.
[0030] Diese Spannungen können erheblich gemindert werden, wenn, wie bei der ersten erfindungsgemäßen
Stromversorgungsanordnung gemäß Fig. 2, die im übrigen der Stromversorgungsanordnung
gemäß Fig. 1 entspricht, in die Verbindung zwischen dem Punkt K1 und dem Neutralleiteranschluss
N ein Kondensator CN eingeschaltet ist.
[0031] Durch den Kondensator CN kommt es zu einer Kopplung der Ausgangsstromkreise, was
zu einer Reduzierung der Spannung zwischen den Außenleiteranschlüssen L1, L2 führt.
Die Spannungen an den Ausgängen L1, N, L2, N werden gegenüber den anhand Fig. 1 beschriebenen
Fällen unsymmetrischer Belastung angeglichen. Die Spannungen können um bis ca. 80%
reduziert werden.
[0032] Eine fast 100%-ige Reduzierung der Spannung zwischen den Außenleitern im Fall einer
unsymmetrischen, insbesondere einer unsymmetrischen ohmsch-induktiven Belastung der
Ausgänge L1, N, L2, N kann erreicht werden, wenn die Kondensatoren C1 und C2 in den
Verbindungen zwischen den weiteren Anschlüssen der Sekundärwicklungen 421, 422 des
Transformators 4 und den Außenleiteranschlüssen L1, L2 durch leitende Verbindungen
ersetzt werden und nur der Kondensator CN zwischen dem ersten Punkt K1 und dem Neutralleiteranschluss
vorgesehen ist, wie es in Fig. 3 für die zweite erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
dargestellt ist, welche im übrigen der ersten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 2 entspricht.
1. Stromversorgungsanordnung mit einem Wechselrichter (3) zur Erzeugung von einphasigem
Wechselstrom und einem Transformator (4) mit einer Primärwicklung (41) und einer ersten
Sekundärwicklung (421) und einer zweiten Sekundärwicklung (422), wobei die Sekundärwicklungen
(421, 422) gleiche Windungszahlen haben und so angeordnet sind, dass sie im Betrieb
des Transformators (4) vom gleichen magnetischen Fluss durchflutet werden, so dass
an den Sekundärwicklungen (421, 422) im Betrieb des Transformators (4) gleiche Spannungen
abgreifbar sind, wobei je ein Anschluss der erste Sekundärwicklung (421) und ein Anschluss
der zweiten Sekundärwicklung (422) an einem ersten Punkt (K1) miteinander verbunden
sind, dass sich zwischen dem ersten Punkt (K1), einem weiteren Anschluss der ersten
Sekundärwicklung (421) und einem weiteren Anschluss der zweiten Sekundärwicklung (422)
ein Zweiphasensystem ergibt, dessen Phasen um 180° zu einander verschoben sind,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der erste Punkt (K1) mit einem Neutralleiteranschluss (N) eines Ausgangs der Stromversorgungsanordnung
über einen Kondensator verbunden ist,
- dass in Reihe zu der Primärwicklung des Transformators ein Kondensator angeordnet ist,
- dass die Spannung über wenigstens eine der Sekundärwicklungen diskret oder kontinuierlich
einstellbar ist und/oder
- zwischen den weiteren Anschlüssen der Sekundärwicklungen und Außenleiteranschlüssen
des Ausgangs Kondensatoren vorgesehen sind, von denen zumindest einer eine einstellbare
Kapazität hat.
2. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Anschluss der ersten Sekundärwicklung (421) mit einem ersten Außenleiteranschluss
(L1) und der weitere Anschluss der zweiten Sekundärwicklung (422) mit einem zweiten
Außenleiteranschluss (L2) verbunden ist.
3. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem weiteren Anschluss der ersten Sekundärwicklung (421) und dem ersten
Außenleiteranschluss (L1) ein Kondensator (C1) geschaltet ist und dass zwischen den
weiteren Anschluss der zweiten Sekundärwicklung (422) und dem zweiten Außenleiteranschluss
(L2) ein Kondensator (C2) geschaltet ist.
4. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (3) eine H-Brücke mit Leistungstransistoren (31) ist.
5. Stromversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinrichtung einen Frequenzumrichter (1 , 2, 3) umfasst und dass
der Wechselrichter (3) Teil des Frequenzumrichters (1 , 2, 3) ist.
6. Reaktor zur Herstellung von Polysilicium nach dem Siemensverfahren mit einer ersten
Stromversorgungsanordnung zur Versorgung von Siliciumstäben oder -dünnstäben, die
in einem Reaktorbehälter angeordnet werden können, mit Wechselstrom zur induktiven
Erhitzung, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromversorgungsanordnung eine Stromversorgungsanordnung nach einem der
Ansprüche 1 bis 5 ist.
7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor eine zweite Stromversorgungsanordnung zur Versorgung der Siliciumstäbe
oder -dünnstäbe mit Wechselstrom zur induktiven Erhitzung aufweist, wobei eine Frequenz
des von der ersten Stromversorgungsanordnung erzeugbaren Wechselstroms 10 bis 1000
kHz beträgt und eine Frequenz des von der zweiten Stromversorgungsanordnung erzeugbaren
Wechselstroms 10 bis 100 Hz beträgt.